JP2022085122A - パルス管冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス管冷凍機の小型化に寄与する技術を提供する。【解決手段】パルス管冷凍機１０は、パルス管２２と、位相制御部２４とを備える。位相制御部２４は、パルス管２２に接続されるイナータンス容積２６と、イナータンス容積２６を介してパルス管２２に接続されるバッファ容積２８とを備える。バッファ容積２８は、バッファタンク壁３０によって外界から区画されている。イナータンス容積２６は、バッファタンク壁３０に形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、パルス管冷凍機、例えば、スターリング型のパルス管冷凍機に関する。

従来、例えばリニア圧縮機などの圧力振動源を用いるパルス管冷凍機が知られている。圧力振動源が生成する圧力振動流を利用する点でスターリング冷凍機と共通するので、このようなパルス管冷凍機は、スターリング型パルス管冷凍機とも呼ばれている。スターリング型パルス管冷凍機では通例、位相制御のために、長い細管（例えば、管の内径が数ｍｍで管の長さが数ｍ）をたとえばコイル状に巻いたものが用いられ、「イナータンス管（またはイナータンスチューブ）」と呼ばれている。

特開２００６－１７４２２号公報

本発明者は、パルス管冷凍機について鋭意研究を重ねた結果、以下の課題を認識するに至った。パルス管冷凍機の小型化のために、イナータンス管の巻き径を小さくしたとき、管の曲率は大きくなる。そうすると、パルス管冷凍機の製造時に管を巻くとき、管が平たく潰れたり、あるいは座屈して折れ曲がったりして、良好な加工をすることが困難となりうる。とくに、イナータンス管をバッファタンク内に収める設計を採用する場合には、この問題がバッファタンクの小型化の妨げとなりうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、パルス管冷凍機の小型化に寄与する技術を提供することにある。

本発明のある態様によると、パルス管冷凍機は、パルス管と、パルス管に接続されるイナータンス容積と、イナータンス容積を介してパルス管に接続されるバッファ容積とを備え、バッファ容積が、バッファタンク壁によって外界から区画されている位相制御部と、を備える。イナータンス容積は、バッファタンク壁に形成されている。

本発明によれば、パルス管冷凍機の小型化に寄与する技術を提供することができる。

実施の形態に係るパルス管冷凍機を概略的に示す図である。 他の実施の形態に係るパルス管冷凍機の膨張器を概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０を概略的に示す。パルス管冷凍機１０は、スターリング型パルス管冷凍機として構成され、圧力振動源１２と、接続管１４と、コールドヘッドとも称される膨張器１６とを備える。膨張器１６は、蓄冷器１８と、冷却ステージ２０と、パルス管２２と、位相制御部２４とを備える。膨張器１６は、蓄冷器１８とパルス管２２が同軸かつ直列に互いに接続された、いわゆるインライン型または直線型の構成を有する。理解のために、膨張器１６の軸方向を矢印Ａにより図示している。

図においては簡単のために、単段のパルス管冷凍機１０として示されているが、ある実施形態においては、パルス管冷凍機１０は、二段パルス管冷凍機として構成することも可能である。

パルス管冷凍機１０の冷媒ガスは典型的にヘリウムガスが使用される。ただし、これに限られず、適切な他のガスを冷媒ガスとして用いることも可能である。冷媒ガスは、パルス管冷凍機１０内に充填され封入されている。

パルス管冷凍機１０は、圧力振動源１２の動作によってパルス管２２内に冷媒ガスの圧力振動が誘起され、位相制御部２４の作用により圧力振動と同期して適切な位相遅れをもって、パルス管２２内で冷媒ガスの変位振動すなわちガスピストンの往復動が生じるように、設計されている。ある圧力を保持しながらパルス管２２内を上下に周期的に往復する冷媒ガスの動きは、しばしば「ガスピストン」と称され、パルス管冷凍機１０の挙動を説明するためによく用いられる。ガスピストンがパルス管２２の高温端またはその近傍にあるときパルス管２２の低温端で冷媒ガスが膨張し、寒冷が発生する。

このような冷凍サイクル（例えば、具体的には、逆スターリングサイクル）を繰り返すことにより、パルス管冷凍機１０は、冷却ステージ２０を所望の極低温に冷却することができる。したがって、パルス管冷凍機１０は、冷却ステージ２０に設置され、または適宜の伝熱部材を介して冷却ステージ２０に熱的に結合された被冷却物を極低温に冷却することができる。

一例として、被冷却物は、赤外線、サブミリ波、Ｘ線、またはその他の電磁波を検出する検出素子であってもよい。こうした検出素子は、天文観測に使用される観測装置の構成要素であってもよい。このような電磁波検出素子を有する観測装置とともに、パルス管冷凍機１０は、例えば人工衛星などの宇宙機に搭載可能とされていてもよい。あるいは、パルス管冷凍機１０は、そうした観測装置を備える地上設備に搭載されてもよい。あるいは、パルス管冷凍機１０は、極低温環境が望まれる例えば超伝導装置またはその他の装置とともに宇宙機または地上設備に搭載されてもよい。

圧力振動源１２は、対向して同軸に配置された２つのシリンダ１２ａを有する、いわゆる対向二気筒のリニア圧縮機として構成されている。各シリンダ１２ａには、ピストン１２ｂと、ピストン１２ｂを軸方向に振動させるリニアアクチュエータ１２ｃが収容されている。ピストン１２ｂの振動方向は膨張器１６の軸方向とは異なる。ピストン１２ｂは、フレクシャベアリング１２ｄとも呼ばれる板バネまたは弾性支持部材を介して、径方向および周方向の変位は規制されつつ軸方向には変位できるようにシリンダ１２ａに弾性的に支持されている。またシリンダ１２ａは、リニアアクチュエータ１２ｃを固定的に支持する。シリンダ１２ａとピストン１２ｂとの間に圧縮室１２ｅが形成される。接続管１４の一端が圧縮室１２ｅに接続されている。

リニアアクチュエータ１２ｃの駆動により、ピストン１２ｂが軸方向に振動される。それにより圧縮室１２ｅの容積が振動的に増減し、圧縮室１２ｅ内の冷媒ガスの圧力振動が生成される。一例として、圧力振動の平均圧力は例えばメガパスカルのオーダ、例えば約１～４ＭＰａの範囲にあり、圧力振幅は例えば約０．５～１ＭＰａ以内の範囲にあり、周波数は例えば約５０～６０Ｈｚの範囲にあってもよい。

接続管１４は、圧力振動源１２と膨張器１６との間で相互に双方向に冷媒ガスを流すことができるように圧力振動源１２と膨張器１６とを接続する。よって、圧力振動源１２により生成される冷媒ガスの圧力振動は、接続管１４を介して膨張器１６に伝達され、それにより膨張器１６内に圧力振動を誘起することができる。なお、接続管１４は、フレキシブル管であってもよいし、剛性管であってもよい。

蓄冷器１８は通例、円筒またはそのほか筒状の形状を有する容器と、この容器に充填された蓄冷材とを備える。蓄冷器１８は、蓄冷器高温端１８ａと、蓄冷器低温端１８ｂとを有する。蓄冷器高温端１８ａは、接続管１４の他端に接続され、接続管１４を介して圧力振動源１２の圧縮室１２ｅに接続されている。蓄冷器高温端１８ａには、アフタークーラとも呼ばれる熱交換器またはその他の放熱部材が設けられていてもよい。

パルス管２２は、例えば円筒または他の適切な形状を有する管状の部材であり、冷媒ガスを収容できる内部空間を有する。蓄冷器１８と位相制御部２４はパルス管２２を介して接続されている。なお、パルス管冷凍機１０においては、蓄冷器１８およびパルス管２２を迂回する冷媒ガスの流路は設けられていない。よって、圧力振動源１２と位相制御部２４との間のガス流通はすべて、蓄冷器１８およびパルス管２２を経由する。

パルス管２２は、パルス管高温端２２ａと、パルス管低温端２２ｂとを有する。パルス管低温端２２ｂは、蓄冷器低温端１８ｂに接続されている。パルス管低温端２２ｂと蓄冷器低温端１８ｂは相互に連通しており、それにより、パルス管２２と蓄冷器１８は相互に双方向に冷媒ガスを流すことができるように接続されている。また、パルス管低温端２２ｂは、蓄冷器低温端１８ｂと構造的に固く結合されている。

パルス管低温端２２ｂと蓄冷器低温端１８ｂの結合部には、この結合部を包囲するようにして、冷却ステージ２０が設置されている。冷却ステージ２０は、例えば銅などの高熱伝導材料で形成されている。冷却ステージ２０は、パルス管低温端２２ｂおよび蓄冷器低温端１８ｂに熱的に結合されている。上述のように、冷却ステージ２０には、パルス管冷凍機１０により冷却すべき所望の被冷却物を設置することができる。

パルス管高温端２２ａには、位相制御部２４が設けられている。位相制御部２４は、パルス管高温端２２ａに接続されるイナータンス容積２６と、イナータンス容積２６を介してパルス管高温端２２ａに接続されるバッファ容積２８と、内部接続管２７とを備える。イナータンス容積２６は、バッファタンク壁３０に形成されている。内部接続管２７は、バッファ容積２８内に延在し、パルス管２２をイナータンス容積２６に接続する。バッファ容積２８は、バッファタンク壁３０によって外界から区画されている。

バッファタンク壁３０は、円筒状の側壁部３１と、側壁部３１の一端を塞ぐドーム部３２とを有する。側壁部３１は、円筒状の外壁３１ａと円筒状の内壁３１ｂを有し、これらの間にイナータンス容積２６が形成される。外壁３１ａの内周面には外側らせん溝３３ａが形成されている。外側らせん溝３３ａに対応して、内壁３１ｂの外周面には内側らせん溝３３ｂが形成されている。

パルス管冷凍機１０の製造段階において、側壁部３１の外壁３１ａとドーム部３２は一体化された単一部品として用意される。内壁３１ｂはこれとは別部品として用意され、外壁３１ａに固定される。外壁３１ａと内壁３１ｂは、例えばろう付けにより、または他の適切な接合手法により互いに接合される。このとき、外側らせん溝３３ａと内側らせん溝３３ｂが組み合わされてらせん状の空間（イナータンス容積２６に相当する）を形成するように、外壁３１ａ上で外側らせん溝３３ａ間のらせん状の表面と内壁３１ｂ上で内側らせん溝３３ｂ間のらせん状の表面とが接合面３４として接合される。このらせん状の接合面３４に沿って外壁３１ａと内壁３１ｂをろう付けにより接合することで、外側らせん溝３３ａと内側らせん溝３３ｂを組み合わせたらせん状空間を流れるべき冷媒ガスが、軸方向（図１に示されるＡ方向）に隣接する溝間でリークすることを防ぐことができる。

なお、バッファタンク壁３０の側壁部３１は、バッファ容積２８内の冷媒ガス圧力を保持する耐圧壁として、互いに結合された外壁３１ａと内壁３１ｂによって所望の耐圧性能を満たすように設計されてもよく、または、外壁３１ａのみで所望の耐圧性能を満たすように設計されてもよい。バッファタンク壁３０は典型的に、例えばステンレス鋼などの高荷重に耐える金属材料で形成されるが、後者の場合、内壁３１ｂは荷重を受け持つ必要が無いので、外壁３１ａに比べて低強度の金属材料、または樹脂材料などその他適宜の材料で形成されてもよい。

パルス管高温端２２ａには径方向（Ａ方向に垂直な方向）に広がるフランジ部３５が設けられていてもよく、バッファタンク壁３０は、ドーム部３２とは反対側の側壁部３１の端部で例えばボルト等の締結部材によりフランジ部３５に確実に固定されてもよい。あるいは、フランジ部３５は、バッファタンク壁３０の一部（例えば、ドーム部３２とは反対側の側壁部３１の端部）であってもよく、このフランジ部３５がパルス管高温端２２ａに構造的に固く結合されてもよい。このようにして、バッファタンク壁３０内にバッファ容積２８が定められ、バッファタンクが形成される。バッファタンクもまた、蓄冷器１８およびパルス管２２と同軸に配置されていてもよい。

イナータンス容積２６は上述のように、外壁３１ａの内周面に形成された外側らせん溝３３ａと、これに対応して内壁３１ｂの外周面に形成された内側らせん溝３３ｂとを組み合わせることによって形成されている。このようにしてバッファタンク壁３０に形成されたらせん状の空間は、既存のパルス管冷凍機におけるコイル状のイナータンス管と同様に、内径が数ｍｍ程度で長さが数ｍ程度に及ぶ。らせん状空間の断面形状は、図示されるように例えば円形であるが、他の形状でもよい。イナータンス容積２６の一端（ドーム部３２側）は、内部接続管２７によりパルス管高温端２２ａに接続され、イナータンス容積２６の他端（フランジ部３５側）は、バッファ容積２８への出口３６としてバッファ容積２８に開放されている。

内部接続管２７は、パルス管２２と同軸にＡ方向にパルス管高温端２２ａからバッファ容積２８に延在する直管部と、ドーム部３２の近傍でこの直管部から径方向に折れ曲がり内壁３１ｂに固定されイナータンス容積２６に接続される接続部とを有する。内部接続管２７は、パルス管２２よりも細く、その内径はイナータンス容積２６の内径と同程度である。内部接続管２７の内部容積も、イナータンス容積２６の一部であるとみなされてもよい。内部接続管２７は、例えば金属材料で形成された剛性管であるが、フレキシブル管であってもよい。

以上に説明したように、実施の形態に係るパルス管冷凍機１０によれば、イナータンス容積２６がバッファタンク壁３０に組み込まれている。したがって、製造時に、従来のパルス管冷凍機におけるイナータンス管のように細管を巻く加工を要しない。パルス管冷凍機の小型化のためにイナータンス管の巻き径を小さくした場合に、管が平たく潰れたり、折れ曲がったりして、設計通りに加工しがたいという問題は、解消され、または少なくとも緩和される。イナータンス容積２６をバッファタンク壁３０に収めることにより、パルス管冷凍機１０を小型化することが容易となる。

スターリング型パルス管冷凍機に限られず、パルス管冷凍機は一般に、例えばセンサなど振動を嫌う被冷却物を冷却する用途に適している。パルス管冷凍機の膨張器は可動部品を有しないように構成することができ、そのため、膨張器に関しては制振対策を何らとることなく被冷却物を低振動に保持して冷却することができるからである。

ところが、本発明者は、そのような既知の用途ではまったく問題とならない程度にすぎないが、既存のスターリング型パルス管冷凍機では、膨張器に出入りする冷媒ガスの運動による慣性力に起因して、実際には、膨張器に非常に微小な振動が生じうることに気づいた。その一因は、イナータンス管にある。コイル状に巻かれたイナータンス管は例えばバッファタンクなど隣接の部材に固定されるが、それでも実際の使用の際には管内部を出入りする冷媒ガスに誘起されて微小な振動がイナータンス管に発生しがちであり、この振動を十分に抑えることは必ずしも容易でない。

本発明者の想定によれば、最先端の学術研究または先進的な産業利用の冷却用途（例えば、宇宙機に搭載される新規な観測機器の検出素子の極低温冷却など）においては、既存のパルス管冷凍機により実現可能な低振動を超える超低振動のもとでの冷却が、今後要請される可能性がある。

実施の形態に係るパルス管冷凍機１０によれば、イナータンス容積２６がバッファタンク壁３０に一体化されているから、コイル状イナータンス管をもつ既存のパルス管冷凍機に比べて、パルス管冷凍機１０の運転中に発生しうる上述の微小振動を低減することができる。これは、パルス管冷凍機１０の信頼性向上にもつながる。

図２は、実施の形態に係るパルス管冷凍機の膨張器１６を概略的に示す。図２に示される膨張器１６は、蓄冷器１８およびパルス管２２に配置とイナータンス容積２６の形成に関して図１に示される実施形態と相違し、その余については概ね共通する。以下では、相違する構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

膨張器１６は、蓄冷器１８と、冷却ステージ２０と、パルス管２２と、位相制御部２４とを備える。膨張器１６は、蓄冷器１８がパルス管２２を取り囲むように蓄冷器１８とパルス管２２が同軸に配置された、いわゆる同軸型の構成を有する。冷却ステージ２０の内部で冷媒ガスの流路は軸方向に反対向きに折り返される。蓄冷器高温端１８ａとパルス管高温端２２ａはほぼ同じ場所に位置し、ともにフランジ部３５に固定されている。接続管１４は、フランジ部３５を径方向に貫通して、蓄冷器高温端１８ａに接続されている。

この実施形態においても、位相制御部２４は、パルス管高温端２２ａに接続されるイナータンス容積２６と、イナータンス容積２６を介してパルス管高温端２２ａに接続されるバッファ容積２８と、内部接続管２７とを備える。イナータンス容積２６は、バッファタンク壁３０に形成されている。内部接続管２７は、バッファ容積２８内に延在し、パルス管２２をイナータンス容積２６に接続する。バッファ容積２８は、バッファタンク壁３０によって外界から区画されている。

バッファタンク壁３０は、バッファ容積２８を包囲する耐圧壁３８と、耐圧壁３８の内側に配置され、内部にイナータンス容積２６を有するイナータンス筒部４０とを備える。耐圧壁３８は、円筒状の側壁部３１と、側壁部３１の一端を塞ぐドーム部３２とを有し、側壁部３１とドーム部３２は一体形成されている。

イナータンス筒部４０は、例えば３Ｄプリンタなどの三次元造形技術により、イナータンス容積２６としてのらせん状の流路を内部に有する単一の筒状部品として用意される。イナータンス容積２６の一端（ドーム部３２側）は、内部接続管２７によりパルス管高温端２２ａに接続され、イナータンス容積２６の他端（フランジ部３５側）は、バッファ容積２８への出口３６としてバッファ容積２８に開放されている。

イナータンス筒部４０は、耐圧壁３８の側壁部３１の内面に接触して側壁部３１に取り付けられている。耐圧壁３８とは異なり、イナータンス筒部４０はバッファ容積２８に収められており、冷媒ガス圧力による荷重を受け持つ必要が無いので、耐圧壁３８に比べて低強度の金属材料、または樹脂材料などその他適宜の材料で形成されてもよい。イナータンス筒部４０は、耐圧壁３８からいくらか隙間をあけて、耐圧壁３８の内側に配置されてもよい。イナータンス筒部４０は、耐圧壁３８のドーム部３２またはフランジ部３５に取り付けられてもよい。

なお、図１に示される実施形態と同様に、イナータンス筒部４０は外筒と内筒を備えてもよく、イナータンス容積２６が、外筒の内周面に形成された外側らせん溝と、これに対応して内筒の外周面に形成された内側らせん溝とを組み合わせることによって形成されてもよい。

このようにしても、イナータンス容積２６をバッファタンク壁３０に組み込むことができ、これはパルス管冷凍機１０の小型化に役立つ。パルス管冷凍機１０の運転中に発生しうる微小振動を低減することができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

図２を参照して説明したイナータンス筒部４０にイナータンス容積２６を形成しイナータンス筒部４０を耐圧壁３８に装着する構成は、図２に示される蓄冷器１８とパルス管２２が同軸配置された膨張器１６だけでなく、図１に示されるインライン型の膨張器１６に適用することもできる。同様に、図１を参照して説明したバッファタンク壁３０の外壁３１ａと内壁３１ｂとの間にイナータンス容積２６を形成する構成は、図１のインライン型の膨張器１６だけでなく、図２の同軸型の膨張器１６に適用することもできる。

バッファタンク壁３０の製造に三次元造形技術を適用可能である場合には、内部にイナータンス容積２６が形成されかつ耐圧設計されたバッファタンク壁３０が単一部品として提供されてもよく、これを用いてパルス管冷凍機１０が製造されてもよい。

イナータンス容積２６の形状は、らせん状に限られない。イナータンス容積２６は、バッファタンク壁３０内、またはイナータンス筒部４０内で、他の様々な流路配置をとりうる。たとえば、イナータンス容積２６は、パルス管２２の軸方向に往復するような蛇行経路、またはその他の湾曲経路をとってもよい。

イナータンス容積２６は、ドーム部３２またはその近傍に設けられてもよい。例えば、バッファ容積２８内においてドーム部３２の内側に隣接または近接して配置され、内部にイナータンス容積２６を有するイナータンスプレートが設けられてもよい。あるいは、ドーム部３２は、互いに結合される外壁と内壁とを備え、イナータンス容積２６が外壁と内壁との間に形成されてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ パルス管冷凍機、 ２２ パルス管、 ２４ 位相制御部、 ２６ イナータンス容積、 ２７ 内部接続管、 ２８ バッファ容積、 ３０ バッファタンク壁、 ３１ａ 外壁、 ３１ｂ 内壁、 ３８ 耐圧壁、 ４０ イナータンス筒部。

Claims (5)

1. パルス管と、
   前記パルス管に接続されるイナータンス容積と、前記イナータンス容積を介して前記パルス管に接続されるバッファ容積とを備え、前記バッファ容積が、バッファタンク壁によって外界から区画されている位相制御部と、を備え、
   前記イナータンス容積は、前記バッファタンク壁に形成されていることを特徴とするパルス管冷凍機。
2. 前記イナータンス容積は、前記バッファタンク壁に形成されているらせん状の空間を備えることを特徴とする請求項１に記載のパルス管冷凍機。
3. 前記バッファタンク壁は、前記バッファ容積を包囲する耐圧壁と、前記耐圧壁の内側に配置され、内部に前記イナータンス容積を有するイナータンス筒部とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のパルス管冷凍機。
4. 前記バッファタンク壁は、互いに結合される外壁と内壁とを備え、前記イナータンス容積が前記外壁と前記内壁との間に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のパルス管冷凍機。
5. 前記位相制御部は、前記バッファ容積内に延在し、前記パルス管を前記イナータンス容積に接続する内部接続管をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のパルス管冷凍機。

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